Технология оптико-электронного приборостроения

(получение плоских поверхностей), «грибы» (получение вогнутых поверхностей) и «чашки» (для выпуклыхповерхностей).

Станки для изготовления оптических деталей различают по виду выполняемых функций:

–для заготовительных операций – резка, сверление, обдирка, кругление;

–шлифовально-полировальные;

–специальные – центрирование, снятие фасок, изготовление асферических поверхностей и др.

Они могут быть предназначены для ручной, механизированной или автоматизированной обработки.

Для создания условий и обеспечение выполнения основных, специальных или вспомогательных операций по обработке оптических деталей (блокировка, шлифовка, полировка, лакировка, чистка и т. д.) применяют вспомогательные материалы. К ним относятся: гипс, парафин, сукно, фетр, различные воски, смолы, лаки, растворителии др.

Гипс используют для блокировки (закрепления) заготовок в при-

способлении. Воски и парафин выполняют наклеечные функции, они размягчаются при температуре 80–90 оС. Смолы выполняют как крепежную (наклеечную), так и полировочную функции. Основными составляющими смол являются канифоль и пек. Полировочные смолы (сплавы пека, канифоли и воска) применяют для полировки точных рабочих поверхностей оптических деталей. Волокнистые материалы (грубошерстные ткани, войлок, фетр, сукно, вата, древесные опилки и т. д.) применяют вместе со смолой для изготовления подложки – рабочей поверхности полировальников – при так называемом полировании на сукне.

Важные функции выполняют разного рода покрытия. Они могут быть однослойными и многослойными. Их наносят на преломляющие и отражающие поверхности. С помощью покрытий изменяют оптические, химические и электрические свойства деталей. По назначению покрытия разделены на несколько видов: защитные, от-

ражающие (зеркальные), светоделительные (полупрозрачные), просветляющие, фильтрующие, токопроводящие, поляризующие. За-

щитные покрытия (из лаков или шеллака) должны предохранять полированные поверхности от механических повреждений, действия щелочей, кислот, т. е. быть нейтральными, кроме того, быстро высыхать и хорошо растворяться в дешевых и неопасных раствори-

61

телях (например, горячей воде). Просветляющие покрытия увеличивают поток проходящего через деталь света за счет уменьшения отражения на границе раздела сред с различными показателями преломления, они характеризуются остаточным коэффициентом отражения. Назначение других покрытий ясно из их названий.

Каждый тип покрытия имеет несколько разновидностей, отличающихся материалом пленки, способом ее нанесения, защиты и т. п., их толщина составляет от единиц нм до десятков мкм.

Для промывки и чистки оптических деталей от защитного лака и крепежных материалов в процессе изготовления, контроля и для окончательной чистки перед сборкой применяют растворители: бензин, спирты, эфиры, ацетон. Бензин хорошо растворяет воск, пек, канифоль и жировые загрязнения. Спирты хорошо растворяют лаки и смолы, хуже – воски и парафин. Жировые загрязнения удаляют эфирами. Для окончательной чистки деталей используют смеси из эфиров и этилового спирта.

Основные способы нанесения покрытий: травление, из раствора гидролизующихся соединений, путем восстановления серебра

(отражающие покрытия), термического или электронно-лучевого испарения пленкообразующих веществ в вакууме, катодного распыления (при электрическом разряде в разреженной атмосфере поверхность катода разрушается под ударами ионов или ионизированных молекул газа, в результате частички вещества катода распыляются и осаждаются на подложках, находящихся на аноде или вблизи его). Катодным распылением получают просветляющие, зеркальные, светоделительные и интерференционные покрытия из тугоплавких веществ.

Вопросы для самоконтроля

1.Приведите основные этапы изготовления оптического стекла.

2.Для чего необходима повторная термическая обработка стекла?

3.Приведите основные параметры, которые характеризуют оптические материалы.

4.Перечислите основные абразивные материалы и назовите характеристические размеры частиц порошков для грубой средней

итонкой полировки.

62

5.Перечислите основные полирующие материалы.

6.Перечислите основные вспомогательные материалы и назовите, для каких целей они служат.

9.КОМПОНОВКА, ИСПЫТАНИЯ И ПОВЕРКИ ОЭП

Взависимости от назначения и условий работы ОЭП применяют следующие компоновочные схемы: децентрализованную (разбросанную), полностью централизованную и централизованную с автономным пультом управления.

При децентрализованной компоновочной схеме каждый из бло-

ков прибора конструируется отдельно и размещается автономно,

аего функционирование обеспечивается системой соединительных кабелей. Такую схему часто применяют в тех случаях, когда ОЭП служит для измерения каких-либо параметров без доступа оператора (в частности, в неблагоприятных условиях) или при работе в полевых условиях, когда прибор надо транспортировать и масса его отдельных блоков должна быть невелика.

Достоинствами децентрализованной схемы являются простота компоновки, возможность произвольного размещения блоков, высокая надежность, поскольку вышедшие из строя блоки легко заменить и поломка одного блока не влияет на работоспособность других. Недостатками являются наличие наружных соединительных кабелей и необходимость обеспечения защиты от вредных воздействий каждого функционального блока в отдельности.

При полностью централизованной компоновочной схеме все блоки прибора размещаются в общем корпусе. Такая схема свойственна стационарно устанавливаемым приборам, и ее наиболее широко используют в оптико-электронном приборостроении. По этой схеме выполняют многие лабораторные приборы: фотометры, спектрометры, гониометры, приборы для астроориентации, космоса, многие ОЭП

сиспользованием лазеров, контрольно-измерительные приборы. Достоинствами централизованной схемы являются компактность

прибора, минимальная длина межблочных связей, возможность обеспечения одновременной защиты всех блоков от внешних воздействий. К недостаткам следует отнести возможность взаимного влияния отдельных блоков или элементов и сложность транспортирования при значительных габаритных размерах и массе прибора.

63

Иногда компоновку прибора требуется выполнять по централи-

зованной схеме с автономным пультом управления. Примером та-

кого прибора может служить фотоэлектрическое устройство для дистанционного задания и измерения угла поворота объекта, в котором фотоэлектрический датчик, привод, электронный блок и блок питания скомпонованы в общем корпусе, установленном на объекте, а пульт управления и индикации вынесен в зону размещения оператора. Возможен также вариант с автономным оптическим блоком и централизованной компоновкой остальных блоков прибора.

Независимо от выбранной компоновочной схемы при конструировании прибора необходимоучитыватьследующиеобщие принципы:

–конструкцию необходимо делить на узлы (блоки) по функциональному признаку;

–узлы и блоки прибора по возможности должны быть законченными с точки зрения производства и не требовать после сборки дополнительной обработки совместно с другими частями, позволять автономную проверку качества их функционирования;

–число деталей в узле должно быть минимальным;

–элементы и блоки устанавливаются так, чтобы не препятствовать прохождению лучей;

–движение перемещающихся частей прибора должно быть согласованным, чтобы исключить их столкновение и перекрывание хода лучей;

–при монтаже в общем кожухе отдельные узлы и блоки не должны оказывать вредного взаимного воздействия (нагрев, блики, электромагнитные наводки, вибрации и т. п.);

–следует учитывать требования, определяемые условиями эксплуатации и размещения прибора (герметизация, защита от наводок и пр.);

–необходимо предусмотреть возможность быстрой замены отдельных элементов или блоков.

В настоящее время не существует какой-либо общей методики выполнения компоновки ОЭП. Конструирование и компоновку приборов выполняют в каждом конкретном случае индивидуально.

Детали и элементы ОЭП собирают в узлы и блоки методами разъемного и неразъемного соединения. К разъемным относятся закрепление винтами, штифтами. Неразъемными соединениями называются такие соединения, которые невозможно разобрать без нарушения эле-

64

ментов соединяемых деталей. К этому виду соединений относятся заклепывание, завальцовка, развальцовка, склейка, сварка, пайка и соединение с гарантированным натягом. Неразъемно в ОЭП соединяют, прежде всего, детали, относящиеся к механической части, и электронного блока, изготовленные из металла, пластмассы, кожи, фибры и других разнородных материалов. Неразъемное соединение оптических деталей и элементов между собой и с механическими (оправы, прокладки и т. д.) осуществляют, как правило, склеиванием, завальцовкой(рис. 9.1), атакжеметодомглубокогооптического контакта.

Рис. 9.1. Завальцовка линзы вручную (а) и роликами (б)

Крепление деталей завальцовкой является самым распространенным способом соединения механических элементов с оптическими деталями круглой формы. Это соединение осуществляется путем плотной закатки края металлической оправы 1 на фаску оптической детали 2 по всей ее окружности (рис. 9.1, а). Эта операция может выполняться на токарно-арматурных станках вручную. При массовом производстве ОЭП детали завальцовывают так называемыми роликовыми головками, которые могут быть установлены в коническое отверстие задней бабки токарно-арматурного станка или шпин-

65

деля специального станка. Кромка оправы закатывается тремя вращающимися вокруг своих осей роликами 2, закрепленными на головке 1, которая, в своюочередь, обкатывается вокругдетали (рис. 9.1, б).

Собранный оптико-механический блок подвергается юстировке. Юстировка – это совокупность операций по приведению средств измерений в состояние, обеспечивающее их правильное функционирование. Она заключается в регулировании взаимного расположения оптических деталей (линз, призм, зеркал) с целью их центрирования и обеспечения высокого качества изображения. В отъюстированном положении оптические детали закрепляются винтами, штифтами, склеиванием. В конструкции оптических систем обычно предусматриваются устройства, регулирующие положение оптических деталей и их закрепление при юстировке.

Основная цель испытаний ОЭП – выявление их способности сохранять заданные свойства в условиях эксплуатации. Испытания являются завершающей стадией процессов проектирования и изготовления прибора. В соответствии с видом воздействий испытания разделяют на механические, климатические, электрические, электромагнитные, специальные и др. К механическим испытаниям относят проверку работы прибора при наличии внешних механических факторов (вибрация, удар), трение и плавность хода подвижных частей, состояние уравновешенности, определение положения центра тяжести, момента инерции. Климатические испытания проводят для выявления способности прибора противостоять воздействию внешней среды, (например, повышенной или пониженной температуры), а также биологических факторов. К электрическим испытаниям относится проверка качества монтажных работ и пайки, изоляции токоведущих частей, потребление электроэнергии. Специальным испытаниям подвергаются ОЭП, предназначенные для работы в особых условиях, например, в условиях повышенной проникающей радиации при действии космических лучей, в условиях высокого вакуума.

Испытания в зависимости от места и условий разделяют на лабораторные, стендовые, которые проводятся на месте изготовления приборов, и полигонные, проводимые в условиях эксплуатации приборов. Приемочные испытания проводят с целью всесторонней проверки опытного образца на соответствие техническим требованиям в условиях, максимально приближенных к реальным, для определения целесообразности его постановки на производство.

66

Цель периодических испытаний – проверить соответствие приборов всем требованиям технических условий один раз в течение оговоренного промежутка времени, как правило, не реже одного раза в год. Цель типовых испытаний – проверить соответствие приборов требованиям технических условий в случаях изменения принципиальной схемы, конструкции или технологии их изготовления, примененных материалов и покупных изделий, а так же по рекламациям потребителей.

Поверка приборов заключается в определении метрологическим органом их погрешностей и установлении пригодности к применению. Составными элементами поверки являются метод, средства

иоперация. Методы поверки – совокупность приемов ее проведения.

Ксредствам поверки относятся технические средства (аппаратура), с помощью которых проводится контроль метрологических характеристик поверяемых приборов. Операция поверки – это процесс собственно измерений, в результате которого выявляется фактическое значение метрологической характеристики поверяемого прибора. Поверка приборов заключается в передаче размера единицы физической величины от эталона или образцового средства измерений к приборам (рабочим средствам измерений). Эта передача поводится на основе нормативного документа, называемого поверочной схемой, которая устанавливает соподчинение средств измерений различных уровней точности по целесообразной системе.

Эталон, воспроизводящий единицу измерений с наивысшей точ-

ностью, называют первичным. Образцовое средство измерений яв-

ляется промежуточным звено между эталоном и поверяемым прибором. В зависимости от точности их делят на разряды. Поверочные схемы для ОЭП различного назначения устанавливаются нормативнотехнической документацией. Во главе поверочных схем стоят эталоны угла, метра, силы ветра, различные эталоны энергетических величин, а иногда и некоторые другие.

67

ПРИМЕРНАЯ ТЕМАТИКА ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие 1 Распространение оптического излучения через атмосферу

Содержание: Причины существования «окон прозрачности» атмосферы. Спектральные и энергетические характеристики источников излучения. Классификация источников оптического излучения.

Литература:

1. Якушенков, Ю. Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов / Ю. Г. Якушенков. – М. : Логос, 1999. – 480 с. Главы 1, 4, 6.

Практическое занятие 2 Ход лучей через оптические элементы

Содержание: Ход лучей в светопропускающих и отражательных оптических элементах.

Литература:

1. Заказнов, Н. П. Теория оптических систем: учебник для студентов приборостроительных специальностей вузов / Н. П. Заказнов, С. И. Кирюшин, В. И. Кузичев. – М. : Машиностроение, 1992. – 448 с.

Главы III, IX, X.

Практическое занятие 3 Приемники оптического излучения

Содержание: Физические принципы работы и конструктивные особенности селективных и неселективных приемников, в том числе, на основе ПЗС и КМОП структур.

Литература:

1. Якушенков, Ю. Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов / Ю. Г. Якушенков. – М. : Логос, 1999. – 480 с. Глава 6.

Практическое занятие 4 Оптико-электронные устройства отображения информации

Содержание: Особенности работы, преимущества и недостатки жидкокристаллических, плазменных и светодиодных мониторов и устройств.

68

Практическое занятие 5 Требования, предъявляемые к ОЭП

Содержание: Основные требования, предъявляемые к ОЭП, на примере цифрового фотоаппарата.

Литература:

1. Парвулюсов, Ю.Б. Проектирование оптико-электронных приборов / Ю.Б. Парвулюсов [и др.]. – М. : Логос, 2000. – 488 с. Глава

5.

Практическое занятие 6 Проектирование оптико-электронных приборов (часть 1)

Содержание: Содержание технического задания и задачи технического предложения.

Литература:

1. Парвулюсов, Ю.Б. Проектирование оптико-электронных приборов / Ю.Б. Парвулюсов [и др.]. – М. : Логос, 2000. – 488 с., пар. 4.2, 4.3.

Практическое занятие 7 Проектирование оптико-электронных приборов (часть 2)

Содержание: Отличительные особенности этапов эскизного, технического и рабочего проектирования.

Литература:

1. Парвулюсов, Ю. Б. Проектирование оптико-электронных приборов/ Ю.Б. Парвулюсов [и др.]. – М. : Логос, 2000. – 488 с. §§ 4.4–4.6.

Практическое занятие 8 Технологическая подготовка производства ОЭП

Содержание: Содержание основной технологической документации.

Литература:

1. Каледин, Б. Ф. Производство оптико-электронных приборов / Б. Ф. Каледин, М. Д. Мальцев, А. И. Скороходов. – М. : Машино-

строение, 1981. – 303 с. §§ 4.1–4.4.

69

Практическое занятие 9 Производство оптических деталей

Содержание: Отличительные особенности изготовления и обработки разновидностей оптических материалов (стекол, ситаллов, пластмасс, кристаллов и керамики).

Литература:

1.Ефремов, А. А. Изготовление и контроль оптических деталей / А. А. Ефремов, Ю. В. Сальников. – М. : Высшая школа, 1983. – 255 с.

Глава 2.

2.Каледин, Б. Ф. Производство оптико-электронных приборов / Б. Ф. Каледин, М. Д. Мальцев, А. И. Скороходов. – М. : Машино-

строение, 1981. – 303 с. Глава 13.

70